CN116848684A - 电化学电池 - Google Patents

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Abstract

本发明的电化学电池具备发电元件、包装体和端子。发电元件具备负极、正极和处于负极与正极之间的隔膜。负极包括负极集电体和负极活性物质层。负极活性物质层包括具有位于负极集电体的表面的硅层和位于硅层的表面的第一碳基物质层的第一区域，以及具有位于负极集电体的表面且与第一碳基物质层相连的第二碳基物质层的第二区域。

Description

电化学电池
技术领域
本发明涉及一种电化学电池。
背景技术
现有技术的一个例子记载于专利文献1。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2020-509541号公报。
发明内容
本发明的电化学电池具备：
第一电极，包括第一集电体和第一电极活性物质层；
第二电极，包括第二集电体和第二电极活性物质层；
隔膜，位于所述第一电极与所述第二电极之间；
包装体，收纳所述第一电极、所述第二电极和所述隔膜；
第一端子，与所述第一集电体电连接且延伸至所述包装体的外部；以及
第二端子，与所述第二集电体电连接且延伸至所述包装体的外部，
所述第一电极活性物质层包括：
第一区域，具有位于所述第一集电体的表面的硅层和位于所述硅层的表面的第一碳基物质层；以及
第二区域，具有位于所述第一集电体的表面且与所述第一碳基物质层相连的第二碳基物质层。
附图说明
由下述详细的说明和附图使本发明的目的、特色和优点更明确。
图1是电化学电池的外观图。
图2是图1的剖切线II-II的剖视图。
图3是负极附近的放大剖视图。
图4是表示负极活性物质层一个例子的俯视图。
图5是表示负极活性物质层其他例子的俯视图。
图6是表示负极活性物质层其他例子的俯视图。
具体实施方式
一直以来，重复充电和放电来使用的二次电池，在家电产品、信息处理装置和电动汽车等各种产品中用作电源。在二次电池中，在电解质中使用锂系化合物的锂离子电池，具有能高输出(高电压)和高能量密度且小型化等特征。
专利文献1所述的多层电极在集电体的一面或两面包括两层以上的电极活性物质层，靠近集电体的一侧的层中碳基物质和粘合剂的含量多，而远离集电体的一侧的层中硅基物质的含量多。
本发明的目的是提供一种能进一步小型化的电化学电池。
以下，说明本发明实施方式的电化学电池。图1是电化学电池的外观图。图2是图1的剖切线II-II的剖视图。图3是负极附近的放大剖视图。电化学电池100例如是半固体型锂离子电池。电化学电池100具备发电元件102、包装体103和端子104。电化学电池100例如为板状。电化学电池100通过与外部装置电连接，作为外部装置的电源发挥功能。
发电元件102是利用电化学反应蓄积、释放电气的构件。发电元件102例如具备作为第一电极的负极102a、作为第二电极的正极102b和处于负极102a与正极102b之间的隔膜102c。发电元件102能够通过隔膜102c使阳离子或阴离子在负极102a与正极102b之间穿过。
发电元件102例如是层叠负极102a、隔膜102c和正极102b而成的。发电元件102例如为板状。发电元件102例如在板状的厚度方向上层叠负极102a、隔膜102c和正极102b。
负极102a和正极102b例如包括电化学活性的物质。负极102a和正极102b例如可以含有电解质。作为电解质，例如，能够使用在溶剂或溶剂混合液中添加了盐的电解质。
负极102a包括负极集电体10和负极活性物质层11。作为第一集电体的负极集电体10，例如以板状、片状或箔状的形态包含导电性材料地构成。作为第一电极活性物质层的负极活性物质层11以层状设置于负极集电体10的一面或两面上。负极活性物质层11可以含有负极活性物质和电解质。
负极集电体10例如以包含包括铝、铜、锂、镍、不锈钢、钽、钛、钨、钒或这些元素的合金的金属材料的方式构成。负极集电体10可以包含金属氧化物(例如TiN、TiB 2、MoSi 2、n-BaTiO 3、Ti 2O 3、ReO 3、RuO 2、IrO 2等)等非金属材料。负极集电体10例如厚度为5～15μm。负极集电体10的外形尺寸与负极102a的外形尺寸几乎相同，能够根据电化学电池100的尺寸适当设定。
负极活性物质层11包括第一区域11a和第二区域11b，其中，第一区域11a具有位于负极集电体10的表面的硅层12和位于硅层12的表面的第一碳基物质层13，第二区域11b具有位于负极集电体10表面且与第一碳基物质层13相连的第二碳基物质层14。
第一区域11a的硅层12直接设置于负极集电体10的表面。硅层12例如是由包括纯硅(Si)、氧化硅(SiOx(0≤x＜2))、硅合金等的硅材料构成的薄膜。硅层12可以为结晶性硅薄膜，也可以为非晶性(非结晶性)硅薄膜。当为非晶性(非结晶性)硅薄膜时，硅层12变得易变形，即使负极集电体10变形也能够降低硅层12破裂的可能性。
第一区域11a的第一碳基物质层13直接设置于硅层12的表面。第一碳基物质层13包括碳基材料和电解质。第一碳基物质层13例如能够通过混合电解质和碳基材料而成为膏状并涂布于硅层12表面来形成。
碳基材料例如包括石墨、硬质碳、软质碳、碳纳米管、石墨烯等。碳基材料的形态例如可以为颗粒状、短纤维状或鳞片状等，能够使用石墨颗粒、鳞片状石墨烯等。电解质包括溶剂中的锂盐(锂离子电池的情况)或钠盐(钠离子电池的情况)等非水电解质。锂盐例如包括LiPF 6、LiBF 4和LiClO 4。钠盐例如包括NaClO 4、NaPF 6和双(三氟甲基磺酰基亚胺)钠(Na-TFSI)。溶剂例如包括碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、二甲氧基乙烷(DME)、碳酸二乙酯(DEC)、四氢呋喃(THF)和三乙二醇二甲醚。
第二区域11b的第二碳基物质层14直接设置于负极集电体10的表面。第二碳基物质层14包括碳基材料和电解质。第二碳基物质层14例如能够通过混合电解质和碳基材料而成为膏状并涂布于负极集电体10的表面来形成。第二碳基物质层14的碳基材料和电解质，均能够使用与第一碳基物质层13相同的材料。
第一碳基物质层13和第二碳基物质层14中，除了电解质和碳基材料之外，根据需要例如可以含有硅、氧化硅、作为粘合剂的聚酰亚胺等添加物质。在本实施方式的负极102a中，第一碳基物质层13和第二碳基物质层14实质上不含粘合剂物质。
作为负极102a的一个例子，负极集电体10为铜箔，作为硅层12，通过溅射在铜箔表面上形成硅薄膜。此时，硅层12不设置在负极集电体10的表面整体，而是部分设置。负极集电体10的表面整体不被硅层12包覆而是部分露出即可。在设置有硅层12的负极集电体10的表面整体上，涂布混合了电解质和碳基材料的膏。涂布在有硅层12的部分的膏是第一碳基物质层13，涂布在没有硅层12的部分的膏是第二碳基物质层14。由于第一碳基物质层13和第二碳基物质层14是通过涂布相同的膏而形成的，因此能够以相连的方式形成。
第一区域11a的厚度与第二区域11b的厚度可以相同也可以不同。第一区域11a的硅层12例如厚度为0.5～15μm，第一区域11a的第一碳基物质层13例如厚度为0.5～349.5μm。第二区域11b的第二碳基物质层14例如厚度为15.5～350μm。
负极活性物质层11包括第一区域11a和第二区域11b即可。在俯视负极102a时，第一区域11a所占的面积S1与第二区域11b所占的面积S2可以是S1＝S2，可以是S1＞S2，也可以是S1＜S2。
在负极102a的负极活性物质层11中，在第一区域11a中，通过在负极集电体10表面直接设置硅层12，能够提高电化学电池100的能量密度。在第二区域11b中，由于在负极集电体10表面直接设置第二碳基物质层14，并以第二碳基物质层14与第一碳基物质层13相连的方式设置，因此能够抑制负极102a的电阻值的上升。如此地，通过使用本实施方式的负极102a，能够抑制电阻值上升并能够由硅层12提高能量密度，并使电化学电池100小型化。
正极102b包括正极集电体20和正极活性物质层21。作为第二集电体的正极集电体20，例如以板状、片状或箔状的形态包含导电性材料地构成。作为第二电极活性物质层的正极活性物质层21以层状设置于正极集电体20的一面或两面上。正极活性物质层21可以含有正极活性物质和电解质。
正极集电体20中能够将与前述负极集电体10相同的碳基材料用作导电性材料。正极活性物质例如包括镍钴铝系锂复合氧化物(NCA)、尖晶石系锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、镍钴锰系锂复合氧化物(NCM)。正极102b例如可以含有镍氢电池、镍镉电池等中使用的本领域技术人员已知的固体化合物。正极102b例如可以含有掺杂了Mg的LiCoO 2、LiNiO 2等。电解质可以是与前述负极活性物质层11相同的电解质。正极活性物质层21例如能够通过混合电解质和正极活性物质而成为膏状并涂布于正极集电体20表面来形成。
正极集电体20例如厚度为5～30μm，正极活性物质层21例如厚度为100～450μm。
隔膜102c使阳离子或阴离子在负极102a与正极102b之间穿过。负极102a的第一碳基物质层13和第二碳基物质层14与隔膜102c接触。正极102b的正极活性物质层21与隔膜102c接触。发电元件102能够通过具有隔膜102c，来使正极102b与负极102a电绝缘。
在发电元件102为板状的情况下，例如，能够设定成纵50～500mm、横50～300mm和厚度0.1～2.0mm。
包装体103是具有用于将发电元件102收纳于包装体内侧的空间的构件。包装体103是为了保护发电元件102免受外部环境影响而设置的。更具体而言，包装体103是为了将发电元件102与外部环境电绝缘而设置的。包装体103以覆盖发电元件102整体的方式设置。
另外，包装体103例如为平坦的袋状。包装体103例如通过使层压膜成为平坦的袋状而形成。另外，包装体103例如可以将两个层压膜熔接而形成。包装体103例如在从负极102a、隔膜102c和正极102b的层叠方向观察时，可以为长方形。
包装体103例如具有绝缘材料。由此，包装体103能够保护发电元件102免受外部环境影响，而不会出现外部环境与发电元件102经由包装体103短路的情况。包装体103例如具有树脂材料。更具体而言，树脂材料中例如能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯等。
另外，包装体103例如可以具有多层结构。具体而言，包装体103例如具有热粘接性树脂材料和耐热性树脂材料。具体而言，热粘接性树脂材料是熔融温度低于150℃的树脂材料。另外，具体而言，耐热性树脂材料是熔融温度在150℃以上且300℃以下的树脂材料。耐热性树脂材料中，例如，能够使用聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯等。热粘接性树脂材料中，例如，能够使用聚乙烯或聚丙烯等。
端子104是为了使发电元件102与外部装置电连接而设置的。端子104例如为板状或带状。具体而言，端子104例如在从发电元件102的层叠方向观察时为矩形。端子104例如可以为长方形。端子104包括负极端子104a和正极端子104b。负极端子104a与负极集电体10电连接，并延伸到包装体103的外部。正极端子104b与正极集电体20电连接，并延伸到包装体103的外部。
在从发电元件102的层叠方向观察时，端子104位于发电元件102外周的任一边。另外，端子104与包装体103外侧的外部连接端子电连接。
端子104例如由导电性构件构成。端子104例如可以具有金属材料。更具体而言，作为金属材料例如能够使用铝或铜。在端子104为板状的情况下，例如，能够设定成纵30～100mm、横10～100mm和厚度0.1～0.5mm。
图4是表示负极活性物质层的一个例子的俯视图。如图4所示，负极活性物质层11例如在俯视中交互配置带状的第一区域11a和带状的第二区域11b。在本例的构成中，例如，在负极集电体10表面上隔开一定间隔设置带状的硅层12，从而使负极集电体10表面露出成带状。带状的硅层12上进一步设置第一碳基物质层13，在负极集电体10露出的带状的表面上设置第二碳基物质层14。邻接的第一碳基物质层13与第二碳基物质层14相互连接。带状的第一区域11a的宽度与带状的第二区域11b的宽度可以相同，也可以不同。例如，通过使带状的第一区域11a的宽度与带状的第二区域11b的宽度相同，使带状的第一区域11a的数量与带状的第二区域11b的数量相同，在俯视负极102a时，第一区域11a所占的面积S1与第二区域11b所占的面积S2能够相同(S1＝S2)。
图5是表示负极活性物质层其他例子的俯视图。如图5所示，负极活性物质层11在俯视中第二区域11b被第一区域11a包围。在本例的构成中，例如，在负极集电体10表面上设置具有多个贯通孔的硅层12，贯通孔中负极集电体10的表面露出。在硅层12上进一步设置第一碳基物质层13，在负极集电体10露出的表面上设置第二碳基物质层14。第二区域11b被第一区域11a包围，第一碳基物质层13与第二碳基物质层14相互连接。在本例中，俯视下第二区域11b的形状即贯通孔的形状为圆形，但形状不受限定。俯视下第二区域11b的形状可以为三角形状、四边形状等多边形状，可以为楕圆形、长孔形等，也可以为不规则形状。在本例的构成中，在俯视负极102a时，第一区域11a所占的面积S1能够大于第二区域11b所占的面积S2(S1＞S2)。
图6是表示负极活性物质层其他例子的俯视图。如图6所示，负极活性物质层11在俯视中第一区域11a被第二区域11b包围。在本例的构成中，例如，在负极集电体10表面上多个硅层12被设置成岛状，除此之外的部分中负极集电体10表面露出。在多个硅层12上进一步设置第一碳基物质层13，在负极集电体10露出的表面上设置第二碳基物质层14。第一区域11a被第二区域11b包围，第一碳基物质层13与第二碳基物质层14相互连接。在本例中，俯视下第一区域11a的形状即硅层12的形状为圆形，但形状不受限定。俯视下第一区域11a的形状可以为三角形状、四边形状等多边形状，可以为楕圆形、长孔形等，也可以为不规则形状。在本例的构成中，在俯视负极102a时，第一区域11a所占的面积S1能够小于第二区域11b所占的面积S2(S1＜S2)。
(实施例)
将如下负极构成的电化学电池作为实施例，该负极构成具有：铜箔的负极集电体；在负极集电体表面上如图4所示设置成带状的非晶硅层；在负极集电体和非晶硅层表面上设置的包含石墨粉末中混合了1重量％的导电性碳粉末的负极活性物质和电解质的负极活性物质层。将如下负极构成的现有构成的电化学电池作为比较例1，该负极构成具有负极集电体以及包括负极活性物质和电解质的负极活性物质层。将如下负极构成的电化学电池作为比较例2，该负极构成具有：铜箔的负极集电体；在负极集电体表面整面设置的非晶硅层；以及设置于非晶硅层表面的包含石墨粉末中混合了1重量％的导电性碳粉末的负极活性物质和电解质的负极活性物质层。正极的构成均使用作为正极集电体进行了石墨涂布的铝箔，使用将磷酸铁锂、炭黑和电解液混炼而成的正极活性物质。
对实施例和比较例1、2测定电化学电池的能量密度和电阻值。
·能量密度测定
测定正极活性物质的重量，与正极活性物质面积相同的负极活性物质的重量，具有非晶硅的铜箔或者铜箔、铝箔的重量，隔膜的重量，将这些的加和记作测定重量。在各电化学电池中，进行初始充放电，对产生的气体进行放气处理，再重复两次充放电，共计进行三次充放电。使用该第三次放电时的能量，除以之前算出的测定重量，得出能量密度。
·电阻值测定
在所述第三次充放电后，充电至容量100％并待机1小时，得到OCV(开路电压)，通过将通30秒钟1C(能够在1小时将电池的理论容量完全放电的电流大小)的电流时的电压与OCV的差除以流过的电流值来算出电阻值。
测定结果如下。实施例1的能量密度为208Wh/kg，电阻值为1.45Ω。比较例1的能量密度为187.5Wh/kg，电阻值为1.45Ω。比较例2的能量密度为244Wh/kg，电阻值为1.68Ω。在实施例1与比较例1对比的情况下，能够在不使电阻值上升的情况下提高能量密度。在比较例2与比较例1对比的情况下，能够提高能量密度，但电阻值也上升。
本发明可以是如下实施方式。
本发明的电化学电池具备：
第一电极，包括第一集电体和第一电极活性物质层；
第二电极，包括第二集电体和第二电极活性物质层；
隔膜，位于所述第一电极与所述第二电极之间；
包装体，收纳所述第一电极、所述第二电极和所述隔膜；
第一端子，与所述第一集电体电连接且延伸至所述包装体的外部；以及
第二端子，与所述第二集电体电连接且延伸至所述包装体的外部，
所述第一电极活性物质层包括：
第一区域，具有位于所述第一集电体的表面的硅层和位于所述硅层的表面的第一碳基物质层；以及
第二区域，具有位于所述第一集电体的表面且与所述第一碳基物质层相连的第二碳基物质层。
根据本发明的电化学电池，通过在抑制电阻值上升的同时提高能量密度，能进一步小型化。
以上，详细说明本发明的实施方式，但本发明不限定于上述实施方式，能在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更、改良等。能适当地在不矛盾的范围内组合分别构成上述各实施方式的全部或一部分是不言而喻的。
附图标记的说明
10 负极集电体
11 负极活性物质层
11a 第一区域
11b 第二区域
12 硅层
13 第一碳基物质层
14 第二碳基物质层
20 正极集电体
21 正极活性物质层
100 电化学电池
102 发电元件
102a 负极
102b 正极
102c 隔膜
103 包装体
104 端子
104a 负极端子
104b 正极端子

Claims (15)

1.一种电化学电池，其中，
具备：
第一电极，包括第一集电体和第一电极活性物质层；
第二电极，包括第二集电体和第二电极活性物质层；
隔膜，位于所述第一电极与所述第二电极之间；
包装体，收纳所述第一电极、所述第二电极和所述隔膜；
第一端子，与所述第一集电体电连接且延伸至所述包装体的外部；以及
第二端子，与所述第二集电体电连接且延伸至所述包装体的外部，
所述第一电极活性物质层包括：
第一区域，具有位于所述第一集电体的表面的硅层和位于所述硅层的表面的第一碳基物质层；以及
第二区域，具有位于所述第一集电体的表面且与所述第一碳基物质层相连的第二碳基物质层。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其中，
所述第一电极活性物质层中，在俯视下，带状的所述第一区域和带状的所述第二区域交互配置。
3.如权利要求1所述的电化学电池，其中，
所述第一电极活性物质层中，在俯视下，所述第二区域被所述第一区域包围。
4.如权利要求1所述的电化学电池，其中，
所述第一电极活性物质层中，在俯视下，所述第一区域被所述第二区域包围。
5.如权利要求1～4中任一项所述的电化学电池，其中，
所述第一碳基物质层和所述第二碳基物质层包括电解质和石墨颗粒。
6.如权利要求1～5中任一项所述的电化学电池，其中，
所述第一碳基物质层和所述第二碳基物质层实质上不含粘合剂物质。
7.如权利要求1～6中任一项所述的电化学电池，其中，
所述第一碳基物质层和所述第二碳基物质层与所述隔膜接触。
8.如权利要求1～7中任一项所述的电化学电池，其中，
所述第一电极为负极。
9.如权利要求1～8中任一项所述的电化学电池，其中，
所述硅层为非结晶性硅薄膜。
10.如权利要求1～9中任一项所述的电化学电池，其中，
所述第一电极或第二电极中的至少一方是含有0～1.5重量％的粘合剂的半固体。
11.如权利要求1～9中任一项所述的电化学电池，其中，
所述第一电极含有1.5～5重量％的粘合剂。
12.如权利要求11所述的电化学电池，其中，
所述第二电极含有0～1.5重量％的粘合剂。
13.一种电化学电池，其中，
具备：
第一电极，包括第一集电体和第一电极活性物质层；
第二电极，包括第二集电体和第二电极活性物质层；
隔膜，位于所述第一电极与所述第二电极之间；
包装体，收纳所述第一电极、所述第二电极和所述隔膜；
第一端子，与所述第一集电体电连接且延伸至所述包装体的外部；以及
第二端子，与所述第二集电体电连接且延伸至所述包装体的外部，
所述第一电极活性物质层包括位于所述第一集电体的表面的硅基材料和碳基物质层，并含有40～100重量％的所述硅基材料。
14.如权利要求13所述的电化学电池，其中，
所述第二电极是含有0～1.5重量％的粘合剂的半固体。
15.如权利要求13所述的电化学电池，其中，
所述第二电极含有1.5～5重量％的粘合剂，所述第二电极不通过粘合剂与第二集电体结合。
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